学习与记忆的分子基础

第八章学习与记忆的分子基础大脑的学习记忆部位主要是大脑皮质联合区、海马及临近结构、丘脑、下丘脑等脑区，记忆的主要单位是神经系统的突触部位。第一节学习记忆中LTP发生的精微区域在学习记忆信息加工储存过程中，来自不同感受器的信息，通过各自的信息通道存储在脑的不同部位，从而形成不同的记忆形式，如瞬时记忆、短时记忆、长时记忆等。瞬时记忆是在感觉信息从感受器到达相应脑皮质区之间流动过程中形成的，主要是把刺激信号转化成电信号。到达大脑皮质后，如果继续活动，就会转化成工作记忆，记录在相应脑区；如果需要继续加工，则通过该区的皮质向额叶传递，在此过程中，也可以产生一定的运动效应，经过额叶加工后，还可以进一步输出运动信息或者进行更深入的加工形成长时记忆。要产生长时记忆，则边缘系统(limbicsystem)的作用是很关键的。边缘系统包括海马(hippocampus，在颞叶)、杏仁核(Amygdala,在颞叶)和边缘皮质(limbiccortex，和脑干结合)。1.1海马区域在与学习记忆有关的脑区中，海马结构的作用显得特别突出，尤其在短时记忆过渡到长时记忆的过程中起着重要作用，人们就是通过对海马结构与功能的研究，才发现了LTP现象的。海马的不同区域参与不同类型的学习和记忆，海马CA3区可能与长时记忆有关，CAl区可能与分辨学习有关。其信息途径：齿状回是海马的传入门户，主要有颗粒细胞；它接受内嗅区的传入纤维，发出苔醉纤维（图中是苔状纤维）到CA3区，其轴突又组成了海马的传出纤维与CAI区锥体细胞形成突触，CAI区发出的纤维又回到内嗅区，形成一个连续的四级神经元突触联系环路，又叫三突触回路，它与长时记忆功能及LTP的形成有关。在海马结构的三突触回路中，Glu是主要的神经递质，Glu在海马内主要有2种受体，即NMDA和非NMDA，而Glu与它们的相互作用，正是LTP形成并保持的分子机制。1.2松仁核褪黑素（melatonin,MLT）是杏仁核合成和分泌的一种吲哚类神经激素，褪黑素对持续光照或药物引起的学习记忆障碍有改善作用。褪黑素可缩短大鼠嗅觉群体记忆的识别时间，据此认为褪黑素对学习记忆有增强作用。杏仁核源性褪黑素具有提高大鼠在Morris水迷宫的学习记忆能力。去杏仁核使体内褪黑素减少，可导致学习记忆功能及SVZ神经干细胞增殖能力出现相似的明显下降趋势，褪黑素替代治疗后可使上述指标出现相似的明显升高趋势并接近正常水平。提示褪黑素可能通过作用于局部神经干细胞以及星形胶质细胞上的相应受体的机制来促进神经干细胞增殖，进而提高学习记忆能力。杏仁核中与学习记忆和LTP现象直接相关的分子除了上述的褪黑素（melatonin,MLT）外，尚有MAPK、PI-3kinase、Akt、PTEN和Calcineurin等。杏仁核中PI-3kinase、MAPK与Akt的磷酸化水平上升，有利于脑的长时记忆以及LTP现象的产生；PTEN是一种同时具有蛋白去磷酸酶与脂质去磷酸酶双重作用的蛋白质，它会去磷酸化PI-3kinase产物—phosphatidylinositol3,4,5-triphosphate(PIP3)—的D3位置，而负向调控了PI-3kinase路径的进行；蛋白磷酸酶Calcineurin（CN）是导致Akt磷酸化降低的原因，因而也可以负调节杏仁核在学习记忆中的作用。另外，杏仁核还是情绪方面的总管；事实上杏仁核与所有强烈的情感有关。可见人脑有两套记忆系统，一套记忆一般事物，一套记忆具情绪意涵的事物。也就是说，与情绪相关的学习记忆反应是属于杏仁核区的神经所进行的。1.3前额叶（老年记忆障碍）额叶是大脑发育中最高级的部分，它包括初级运动区、前运动区和前额叶(prefrontalcorte,PF)，其中PF与认知功能关系密切。PF与大脑其它区域有着密切关系。PF和所有的感觉区都有往返的纤维联系，其眶后部和腹内侧部有投射到海马旁回和海马前下脚的纤维，组成了内侧颞叶-间脑系统的一部分；PF与纹状体、杏仁核、颞叶、枕叶和顶叶等脑区的联系也很密切，因此，PF与多种感觉信息的加工、记忆、思维及情绪等脑的高级功能有关。第二节LTP、LTD与学习记忆的关系长时程增强(long-termpotentiation，LTP)是当以一个或几个频率为10～20Hz，串长为10～15S或频率为100Hz，串长为3～4S的电刺激为条件刺激时，继后的单个刺激，在海马的齿状回中，会引起群峰电位和群体兴奋性突触后电位的振幅增大，群体峰电位的潜伏期缩短，并且这种易化现象可持续10小时以上，于是将这种现象称LTP；即LTP是指给突触前纤维一个短暂的高频刺激后，突触传递效率和强度增加几倍且能持续数小时至几天保持这种增强的现象。LTP的形成和维持是突触前和突触后机制联合作用产生的，并且以突触后机制为主。关于LTP形成的突触后机制与N-甲基-D-门冬氨酸(NMDA)受体,及该受体激活后的细胞内级联反应密切相关。近年来研究表明，α-氨基羟甲基恶唑丙酸(AMPA)受体在LTP的表达中也发挥重要作用。另外，代谢型谷氨酸受体(mGluRs)可以与G蛋白偶联，通过细胞内多种信使系统介导慢突触传递，在LTP的诱发中起重要的调节作用。而且，LTP的形成和维持还需逆行信使的参与。LTP有三个基本特征：①协同性（Cooperativity）：诱导LTP需要很多纤维同时被激活；②联合性（Associativity）：有关的纤维和突触后神经元需要以联合的形式一起活动；③特异性（Input-Specificity）：所诱导的LTP对被激活的通路是特异的，在其他通路上不产生LTP。按LTP的时程分①PTP，强直后增强，一般5分钟后衰减；②STP，短时程增强，持续半小时左右；③，LTP长时程增强，持续一小时以上。与LTP相对应的是LTD(long-termdepression)，它指的是突触传递效率的长时程降低，对单个刺激不敏感的现象。从神经系统活动的原则来看，要组成一个能学习的神经网络，LTP和LTD都是必不可少的。活动依赖性的LTD有两种不同的形式：异突触压抑和同突触抑制。异突触LTD是指由于其他强的输入的激活，使细胞上其他未激活的输入系统受到压抑，在海马和新皮层均能诱导产生异突触型的长时程压抑效应；而同突触LTD则是在同一通路上产生压抑。第三节CaMKII与学习记忆的关系1971年，Giacobini提出了突触可塑性学说，认为突触不是静止的、固定的结构，甚至在发育成熟的神经系统内，突触都能发生适应性变化。后来大量实验证明：在学习和记忆过程中，脑内突触的结构和数量都有变化。例如：发现迷宫训练后的成年大鼠枕部皮层椎状细胞上有更多的突触生成。于是，人们推测：突触是记忆的贮存部位。对于记忆的分子机制，Lisman提出假设：突触部位有一群激酶分子，在学习时通过磷酸化而被激活，活化的激酶分子再催化自身磷酸化，从而使激酶分子在学习结束后很久仍能保持活化状态。后来发现，CaMKⅡ具有这一特性，即Ca内流引起CaMKⅡ磷酸化而被激活，活化的CaMKⅡ自身磷酸化。因此，即使脑内Ca下降后，CaMKⅡ仍能保持活化状态。于是，人们推测CaMKⅡ可能是记忆的分子基础之一。3.1在LTP诱导过程中，CaMKⅡ的活化在海马脑片诱导LTP，然后在体外无Ca情况下检测CaMKⅡ酶活性，发现诱导LTP后CaMKⅡ活性增加，并且可以持续至少一小时以上。诱导LTP，CaMKⅡ自身磷酸化增加。3.2诱导LTP，必须有CaMKⅡ参与敲除小鼠的CaMKⅡα亚基的基因，发现海马和新皮层的细胞形态、体重和电压依赖性NMDA受体通道功能都正常，但海马脑片上不能诱导出LTP。3.3CaMKⅡ参与LTP的诱导和维持的分子机制自身磷酸化后的CaMKⅡ移向突触后致密物(PSDS)，并聚集在那里，进一步研究发现，活化的CaMKⅡ结合于NMDA的NR2B亚基上，CaMKⅡ自身磷酸化后与NMDA和NR2B的亲和力增加。Leonard等研究表明，因为NMDA而活化的CaMKⅡ与NMDA受体NR1和NR2B亚基结合，就使得CaMKⅡ不仅可以靠近NMDA，也能靠近AMPA受体，从而使后者磷酸化。一个模型：神经冲动引起谷氨酸受体(NMDA受体,AMPA受体)活化，进而使与谷氨酸受体偶联的Ca离子通道开放，Ca离子进入胞内，胞内Ca离子浓度增加，从而激活CaMKⅡ。CaMKⅡ自身磷酸化变为不依赖Ca离子的活化状态。活化的CaMKⅡ起以下作用：①活化的CaMKⅡ磷酸化gK(Ca)或其他离子通道，从而改变神经元的兴奋性，这可能是LTP的基础；②活化的CaMKⅡ移向谷氨酸受体，对受体进行磷酸化，从而进一步活化谷氨酸受体或者使其失活，以调节这一过程处于最适水平；③活化的CaMKⅡ磷酸化中间纤维等成分，从而改变神经元的形态，突触的数量及结构。第四节LTP与学习记忆有关的受体4.1NMDA受体及其在LTP中的作用4.1.1NMDA受体(NMDAR)的特征现已发现NMDAR至少存在7个亚单位，即1种NR1亚单位、4种NR2亚单位(NR2A、NR2B、NR2C和NR2D)以及2种NR3亚单位(NR3A和NR3B)。NR1广泛分布于中枢神经系统，以海马、大脑皮质、小脑最丰富。对不同年龄组海马脑片的电频刺激后，检测NR1表达发现在青年大鼠海马区该受体表达显著增高，而老龄大鼠无明显变化。可见NR1的表达量具有年龄相关性和一定程度的可塑性。4.1.2NMDA受体在LTP中的作用神经海马发育早期，谷氨酸能神经元内的NMDA受体即可参与LTP的建立，一定强度和频率的电刺激，可使谷氨酸能突触的后膜去极化移开阻止Ca2+内流的Mg2+，使NMDA受体通道复合体的Ca2+通道开放，Ca2+内流并触发神经元内一系列生化反应，最终改变突触后膜的性质，继而建立了LTP。4.1.3NMDA受体激活后的细胞内级联反应当递质与NMDA受体结合后，通道打开，Ca2+内流，胞内Ca2+浓度升高，继而触发一系列生化反应。首先，以G蛋白为中介，激活磷脂酶C，催化磷酯酰肌醇水解为三磷酸肌醇(IP3)和二乙酰甘油(DAG)。第二，以IP3和DAG作为细胞内第二信使，引起细胞内继发效应。IP3刺激内质网释放出Ca2+，从而使细胞内Ca2+水平进一步升高；DAG则在Ca2+的存在下，激活蛋白激酶C(PKC)，激活的PKC不仅可加强Ca2+依赖性Glu的释放，提高突触后膜对递质的敏感性，而且能增强Ca2+通过电压依赖性通道进一步内流入细胞。第三，PKC使蛋白质磷酸化，并修饰核转录因子，转录因子的修饰促使早期诱导基因的表达，进而影响核内相关靶基因的启动和转录，导致突触后神经元产生LTP生理效应。4.1.4NR1亚基在学习记忆中的作用海马对人类和动物的学习记忆过程发挥重要作用。在解剖学上，海马可分为不同的3个主要区域：CA1区、CA3区和齿状回(DG)。海马依赖性记忆的范围是全局性的，即包括所有的感觉模态的形成和空间、非空间信息的组合。NMDA依赖性的突触可塑性是学习记忆形成的重要机制。4.2AMDA受体及其在LTP中的作用4.2.1AMPA受体的特性AMPA受体是由GluR1～GluR4四个亚型组成的复合物，每个复合物都存在4到5个亚型。突触膜上AMPA受体是可以迁移和定位的。在高频刺激海马CA1区或其他兴奋性突触诱导LTP产生过程中，突触后膜去极化，NMDA受体通道开放，细胞内Ca2+持续升高，Ca2+与CaM结合激活CaMKⅡ，AMPA受体亚型GluR1被磷酸化，AMPA受体从非突触位点，如细胞内或邻近的突触外膜，重新分布到突触部位。4.2.2AMPA受体在LTP中的作用实验发现LTP的产生会引起AMPA受体与递质的结合量增加，这表明LTP的表达可能与AMPA受体在静寂突触上的再现有关。AMPA受体能通过胞饮和胞吐作用在细胞质和细胞膜表面循环。AMPA受体通过构成性通路和维持性通路两条调节机制插入和移出突触。构成性通路处于非激活状态时，没有突触可塑性形成。一旦激活，迅速产生瞬间兴奋；维持性通路则始终处于激活状态，维持受体的转化。前者被认为有助于记忆的